DE2033128C3

DE2033128C3 - Wärmeaustauschaggregat mit Wärmetauschern, bei denen innerhalb eines Außenmantels Rohrreihen durch einen Zwischenmantel umschlossen sind

Info

Publication number: DE2033128C3
Application number: DE2033128A
Authority: DE
Inventors: Rasmus Oslo Vestre
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1969-07-04
Filing date: 1970-07-03
Publication date: 1979-10-18
Also published as: DE2033128B2; CH519693A; DE2033128A1; NO125206B; US3749160A; NL7009885A; GB1320788A

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschaggregat der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten und aus der G B-PS 6 40 680 bekannten Art.

Beim Kühlen von Gasen, die hohe Temperaturen aufweisen und unter hohem Druck stehen, werden in der Regel zur Vermeidung zu großer Abmessungen mehrere Wärmetauscher in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Gase durch solche Wärmetauscher ist jedoch mit einem relativ hohen Druckveriust verbunden. Dieses Problem kann durch Anordnen einer großen Anzahl Wärmetauscher und z. B. durch mittige Einführung der Gase gelöst werden, die über Auslaßöffnungen an den beiden Enden der Wärmetauscher abgeführt werden. Werden zwei solche Wärmetauscher in Reihe miteinander verbunden, so entsteht jedoch die Schwierigkeit, daß wegen der unterschiedlichen Gastemperaturen die beiden Tauscher unterschiedliche Wärmedehnungen (bzw. Kontraktionen) erfahren, so daß Dehnungsausgleicher vorgesehen werden müssen. Wenn weiter in Verbindung mit der hohen Druckbeanspruchung die Wände der Wärmetauscher dabei Temperaturen von 500 bis 550^c C überschreiten, verbietet sich wegen der Gefahr einer Spannungskorrosion der Einsatz ferritischer Stahlsorten. Vielmehr muß auf austenitische Stähle oder hochprozentige Nickellegierungen zurückgegriffen werden, die sehr teuer sind.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauscheraggregat der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Art zu schaffen, bei dem das Auftreten von hohen Temperaturen an den druckbeanspruchten Wandungen als auch unterschiedlichen Wärmedehnun-T gen bzw. Kontraktionen an benachbarten Wärmetauschern verringert bzw. vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches gelöst. Ausgehend von Wärmetauschern der aus

ίο der britischen Patentschrift 6 40 680 bekannten Art mit einem Außenmantel und einem darin koaxial in Abstand angeordneten Zwischenmantel (der bei der britischen Patentschrift lediglich als Strömungsleitblech dient) werden bei der Erfindung die Ein- und Auslaßöffnungen

is von jedem Wärmetauscher so angeordnet, daß die eine Öffnung sich direkt in das Innere des Zwischenmantels und die andere in den Raum zwischen Zwischenmantel und Außenmantel erstreckt, so daß das durch die Einlaßöffnung eingeführte Medium (Gas) zunächst ins Innere des Zwischenmantels tritt und sich dort in zwei gegensinnig gerichtete Strömungen aufteilt, die endseitig des Zwischenmantels austreten und dann in den besagten Raum gelangen, um dort aus der Austrittsöffnung heraus in die Eintrittsöffnung des benachbarten Wärmetauschers zu strömen. Hier ist jedoch die Strömungsfolge umgekehrt, indem das eintretende Medium zunächst den Zwischenraum zwischen Außenmantel und Zwischenmantel durchströmt, um dann über das Innere des Zwischenmantels aus der mit dem

Jd Zwischenmantel verbundenen Austrittsöffnung auszuströmen. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Außenmäntel benachbarter Wärmetauscher mit einem Strömungsmedium in Berührung treten, dessen Temperatur im wesentlichen gleich ist, so daß das eingangs

ü erwähnte Expansions- oder Kontaktionsproblem praktisch vermieden wird und damit Dehnungsausgleicher zwischen benachbarten Wärmetauschern nicht vorgesehen werden brauchen. Dabei gelangt das heiße Medium zunächst in den von dem Zwischenmantel umschlossenen Innenraum des ersten Wärmetauschers und nicht direkt in Berührung mit dem Außenmaiitel, so daß es mit letzterem erbt nach Abkühlung in Berührung kommt. Der Zwischenmantel ist jedoch, da beidseitig offen, keinen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, so daß die dort auftretenden Temperaturen nicht zu Spannungskorrosion führen können. Der druckbeanspruchte Außenmantei hingegen wird infolge der vorausgehenden Mediumabkühlung thermisch nicht so beansprucht, daß dies zu Spannungskorrosion führen könnte, so daß sich für beide Mäntel relativ preisgünstige Werkstoffe verwenden lassen. Bei der britischen Patentschrift 6 40 680 hingegen wird auch bei paarweiser Verwendung der Wärmetauscher das Strömungsmedium bei jedem Wärmetauscher zunächst ins Innere des einseitig geschlossenen Zwischcnmantels eingeführt, so daß die druckbeanspruchten Außenmantei der beiden Wärmetauscher unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß aufgebauten Wärmetauscher und

F i g. 2 einen. Längsschnitt durch zwei /u einem Wärmeaustauschaggregat nach der Erfindung in Reihe

b¹) miteinander verbundenen Wärmetauschern nach Fig.l.

In F i g. 1 ist mit 2 der Druck- oder Außenmantel von einem länglichen Wärmetauscher bezeichnet, der in der

Mitte zwei Anschlußstutzen 4 und 6 aufweist, die als Einu^d Auslaß für ein Strömungsmedium, z. B. Gas, dienen, das gekühlt oder aufgeheizt werden soll. An dem einen Ende des Wärmetauschers ist ein Kopf 8 nit einer U-förmigen Rohrreihe 10 angeordnet, die sich in das Innere des Außenmantels erstreckt und in bekannter Weise mit einem Einlaß und Auslaß versehen ist, die mit 12 und 14 bezeichnet sind, wodurch die Rohrreihe mit einem Medium, z. B. Kühlwasser oder Dampf, beschickt werden kann.

Koaxial zum Außenmantel ist in diesen ein rohrförmiger Zwischenmantel 16 angeordnet, welcher die Rohrreihe 10 umfaßt. Der Zwischenmantel 16 ist an beiden Enden 18 und 20 offen und in seiner Mitte mit einem Anschlußstutzen 22 versehen, welcher nach außen in den Anschlußstutzen 4 des Außenmantels hervorragt. Der Zwischenmantel 16 hat einen geringeren Durchmesser als der Außcnmantel, so daß zwischen dem Zwischenmantel und der Innenwand de:, Außenmantels ein verhältnismäßig großer Zwischenraum 17 entsteht, wobei der Zwischenmantel durch am Umfang angeordnete Abstandhalter 24 in seiner Lage gehalten ist, welche verschiebbar an der Innenseite des Außenmantels anliegen oder umgekehrt. Der Zwischenmantel ist so in dem Außenmantel nur durch den Anschlußstutzen 22 festgelegt, der, wie bereits erwähnt, in dem Anschlußstutzen 4 des Außenmantels gelagert ist.

Wie aus den Figuren ersichtlich, in denen mittels Pfeilen das Strömungsbild des Gases dargestellt ist. arbeitet ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung in folgender Weise:

In der dargestellten Ausführungsform — in welcher ein Gas von einer hohen Temperatur heruntergekühlt werden soll, — ist das Gas in Richtung des Pfeiles A in den Anschlußstutzen 4 eingeführt und strömt von dort durch den Anschlußstutzen 22 in das Innere des Zwischenmantels 16 direkt zwischen die Rohrreihen 10, von denen das Ga^ in zwei gleiche Ströme aufgeteilt wird, die in entgegengesetzte Richtungen strömen und mit den Pfeilen B-B bezeichnet sind. Die Rohrreihen können in bekannter Weise mit Leitflächen versehen sein, so daß das Gas teilweise entlang und teilweise quer zu den Rohrreihen strömt. An beiden Enden des Außenmantels treten die beiden Gasströme aus dem Zwischenmantel aus und werden um 180° umgelenkt, wie dies durch die Pfeile C-Cangezeigt ist und gelangen hierauf durch den Zwischenraum 26 zu der Mitte des Wärmetauschers, wo die beiden Teilströme wieder bei den Pfeilen D-D vereinigt werden und zusammen aus dein Anschlußstutzen 6 herausströmen.

Wie ersichtlich, ist der Druckmantel 2 des Wärmetauschers nicht den Einströmungsgasen ausgesetzt, bevor diese durch die Rohrreihen geströmt sind und daher gekühlt oder erhitzt worden sind, was davon abhängt, wofür der Wärmetauscher benutzt wird. Hierdurch werden sowohl Ausdehnungs- und Zusammcnziehungsprobleme als auch Korrosionsprobleme wesentlich verringert. Darüber hinaus werden die Probleme in Verbindung mit den Wärmedehnungen an beiden Anschlußstellen des Wärmetauschers ebenfalls verringert, da diese Anschlußstutzen in der gleichen Querschnittscbene in der Mitte des Außcnmantcls angeordnet sind.

Das dargestellte Strömungsbild für das Gas kommt zur Anwendung, wenn das Gas gekühlt werden soll. Wenn der gleiche Wärmetauscher zum Aufheizen von Gasen verwendet werden soll, ist das Strömungsbild

durch den Wärmetauscher umgekehrt, derart, daß das Gas zuerst durch dtn Auslaß 6 eingeführt wird und demnach zuerst durch den Zwischenraum 17 strömt. Das Gas wird dann in erster Linie innerhalb des Zwischenmantels aufgeheizt und erreicht seine höchste Temperatur in der Nähe des Auslasses aus dem Zwischenmantel, der sich am Einlaß 4 befindet, wodurch das erhitzte Gas nicht direkt mit dem Druckmantel 2 in Berührung kommt.

Eine thermodynamische Unvollkommenheit der Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers besteht darin, daß nur eine Hälfte der U-förmigen Rohranordnung entsprechend dem Gegenstromprinzip verwendet wird, doch haben thermodynamische und wirtschaftliche Berechnungen gezeigt, daß diese Umstände von geringer Bedeutung im Vergleich mit den erzielten Vorteilen sind. Zusätzlich zu den weiter oben erwähnten Vorteilen sei angeführt, daß aufgrund des Strömens des Gases in zwei Richtungen durch den Wärmetauscher die Gasgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden kann, woraus sich in vielen Fällen ein großer Vorteil ergibt.

Ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung kann mit ziemlichen speziellen thermodynamischen und baulichen Vorteilen in Verbindung mit zwei oder mehreren solchen Wärmetauschern verwendet werden, die in Reihe miteinander verbunden sind. Solche in Reihe verbundenen Wärmetauscher werden, wie bekannt, insbesondere bei der Kühlung von sehr heißen Gasen verwendet, die einen hohen Druck aufweisen. Aus verschiedenen Gründen u.a. aus Gründen der Größe und des Gewichtes des Wärmetauschers ist es nicht möglich, den gewünschten Temperaturabfall in einem Wärmetauscher zu erzielen und man verwendet deshalb eine Anzahl parallel und/oder in Reihe miteinander verbundener Wärmetauscher. In Reihe miteinander verbundenen Wärmetauscher werfen besondere Probleme auf, z. B. daß die Temperaturen in benachbarten Wärmetauschern dann notwendigerweise aufgrund des schrittweisen Wärmeaustausches unterschiedlich sind.

Diese Probleme sind durch die Erfindung wesentlich vermindert. Durch sie wird das Gas, falls die Wärmetauscher miteinander in Reihe verbunden und zur Kühlung von Gasen verwendet sind, zuerst in einem ersten Wärmetauscher direkt in das Innere des Zwischcnmantels einströmen, nach der Umkehr durch den Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel und dem Außenmantel hindurchslrömen, aus der Auslaßöffnung des ersten Wärmeaustauschers hinaus und in den Einlaß des zweiten Wärmetauschers hineinströmen, indem das Gas zuerst durch den Zwischenraum zwischen der Innenwand des Außenmantels und dem Zwisehenmantcl strömt und hierauf durch das Innere des Zwischenmantels hindurchströmt, worauf das Gas direkt aus dem Zwischenmantel zu dem Auslaß des Zwischenmantcls und dem Auslaß im Außenmantel strömt.

Zwei Wärmetauscher, die, wie oben beschrieben, in Reihe miteinander verbunden sind, sind in Fig. 2 dargestellt, wobei das Strömungsbild durch Pfeile dargestellt ist, und wobei der stattfindende Wärmetauschvorgang in Verbindung mit einem praktischen Beispiel erläutert wird.

Ein.- Gasmenge von 250 00OmVh einer maximalen Temperatur von 570"C und einem Druck von 30 kp/cm² soll mittels eines Hochdruckdampfes (110 kp/cm²) gekühlt werden, welcher überhitzt werden soll. Der hohe Dampfdruck bestimmt einen Wärmetauscher mit

Rohrreihen, bestehend aus U-förmigcn Rohren, in deren Innerem der Dampf und an deren Außenseite das Gas strömt. Aufgrund der großen Gasmenge wird das Gas vorzugsweise in zwei parallele Ströme geteilt und die große Kühlleistung macht es notwendig, jeden Strom durch zwei in Reihe miteinander verbundene Wärmetauscher zu schicken, derart, daß die Einheit zusammen vier Wärmetauscher aufweist, die die gleiche Größe besitzen. F i g. 2 zeigt nur zwei in Reihe miteinander verbundene Wärmetauscher, die mit A und Bbezeichnet sind. Die Bezugszeichen 70 und 72 bezeichnen die Einlaß- und Auslaßsammler für den Hochdruckdampf und ebenso die Sammlerplatten, mit 74 ist das U-förmige Rohrregister, mit 76 Leitbleche, mit 78 und 80 die Druckmäntel, mit 82, 84, 86 und 88 die Gasanschlußleitungen, mit Flanschen, mit 90, 92 die Zwischenmäntel zur Führung des Gases gemäß der Erfindung bezeichnet, während die Bezugszeichen 93, 94, 95, 96, 97 Leitungen und Flansche für den Hochdruckdampf kennzeichnen.

Das heiße Gas kommt durch die Leitung 82 in der Mitte des Wärmetauschers an und strömt dann durch das Innere des Zwischenmantels 90, welcher den Druck nicht aufnimmt. Das heiße Gas wird dann in zwei Teilströme geteilt, die über die Richtung auf das Ende des Wärmetauschers strömen. Das Gas wird hier heruntergekühlt und kehrt nun durch den Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel 90 und der Innenwand des Druckmantels 78 zu dem zentralen Auslaß 84 zurück. Der Zwischenmantel 90 ist in seiner Mitte festgelegt und kann sich daher nach beiden Enden hin frei ausdehnen. Über die Leitung 86 gelangt das Gas in den Wärmetauscher S zwischen den Druckmantel 80 und den Zwischenmantel 92 Der Gasstrom ist wiederum in zwei Teilströme geteilt, die in Richtung auf die beiden Enden strömen, worauf die Teilströme durch das Innere des Zwischenmantels 92 durch die Rohrreihen zurückströmen und dann in dem Auslaß des zweiten Wärmetauschers vereinigt werden.

Durch Anordnung der Zwisehenmänlcl 90 und 92. ι welche das Gas in dieser Weise leiten, vermeidet man die Notwendigkeit, zwei äußere Rohrverbindungen zwischen den Wärmetauschern zu verwenden, wobei jeweils eine an einem Ende des Wärmetauschers vorgesehen ist und man vermeidet deshalb die

κι Probleme, die sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung des Werkstoffes ergeben. Darüber hinaus wird erreicht, daß die Gastemperatur in dem Zwischenraum zwischen dem Außenmantcl und dem Zwischenmantel in beiden Wärmetauschern gleich hoch ist

!5 wodurch auch die Dehnungsunterschiede an der Dampfleitung 95 vermieden werden. Weiterhin wird das Gas gekühlt, bevor es den Druckmantel erreicht, so daß man normalen ferritischen Stahl für den Druckmante verwenden kann. Ohne den Zwischcnmantel 90 müßte man im vorliegenden Beispiel eine sehr teuere hochprozentige Nickel-Chrom-Legierung wegen der Gefahr einer Spannungskorrosion verwenden.

In der vorausgehenden Beschreibung und in der Zeichnung sind nur Ausführungsbeispiele eines War-

:■', metauschers und einer Wärmetauschereinheit dargestellt, wobei U-förmige Rohrreihen verwendet wurden jedoch ist es ersichtlich, daß in vielen Fällen ebensc gerade Rohrreihen verwendet werden können, die ar jedem Ende des Wärmetauschermantels mit einem

«ι Sammler in Verbindung stehen. Thermodynamisch isi eine solche Lösung gleich gut, jedoch ist diese Lösung ir baulicher Hinsicht nicht so vorteilhaft, wie die hiei beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele da man größere Dehnungsprobleme vermeiden will unc

v-, da man u. a. Dehnungsausgleichseinrichtungen, wie ζ. Β einen Faltenbalg indem Druckmantel vorsehen muß.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wärmeaustauschaggregat, bestehend aus mehreren in Reihe miteinander verbundenen Wärmetauschern, bei denen innerhalb eines Außenmaniels Rohrreihen durch einen Zwischenmantel umschlossen sind, der sich mit Abstand vom Außenmantel koaxial zu diesem erstreckt, wobei der Außenmantel jeweils zwei als Einlaß bzw. Auslaß Öffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei paarweiser Verwendung von Wärmetauschern, bei denen von den beiden Öffnungen im Außenmantel die eine direkt in das Innere des Zwischenmanlels und die andere in den Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel und dem Außenmantel führt und die mit einseitig in einem Rohrboden befestigten, in eine Kammer mündenden Haarnadelrohren ausgerüstet sind, die Wärmetauscher bezüglich der Durchströmfolge (95) der Wärmetauscher im Verlauf des die Rohre durchströmenden Mediums, im Verlauf des die Rohre umströmenden Mediums gegensinnig aufeinanderfolgen und derart, daß das die Rohre umströmende Medium im ersten Wärmetauscher zuerst das Innere des Zwischenmantels (90) zu dessen beidseitig offenen Wänden hin durchströmt, dann gegeneinander gerichtet den Zwisch enraum zwischen dem Zwischenmantel (90) und dem Außenmantei zur Auslaßöffnung (84), die mit der Einlaßöffnung (86) des zweiten Wärmetauschers verbunden ist, die in den Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel (92) und dem Außenmantel (80) mündet, so daß das Medium hier zuerst diesen Zwischenraum und dann das Innere des Zwischenmantels (92) zu der in seiner Mitte angeordneten Auslaßöffnung (88) durchströmt.